En la década de 1980, los investigadores comenzaron a descubrir fuentes extremadamente brillantes de rayos X en las porciones externas de las galaxias, lejos de los agujeros negros supermasivos que dominan sus centros. Al principio, los investigadores pensaron que estos objetos cósmicos, llamados fuentes de rayos X ultraluminosas (ULX) eran abultados agujeros negros con más de diez veces la masa del Sol.
Pero las observaciones a partir de 2014 del NuSTAR de la NASA y otros telescopios espaciales muestran que algunos ULX, que brillan con luz de rayos X con una energía equivalente a millones de soles, en realidad son estrellas de neutrones: núcleos quemados de estrellas masivas que explotaron. Tres de tales ULX han sido identificados como estrellas de neutrones hasta el momento.
Actualmente, un equipo dirigido por Caltech que utiliza datos del Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA ha identificado un cuarto ULX como una estrella de neutrones, y ha encontrado nuevas pistas sobre cómo estos objetos pueden brillar tan intensamente. Las estrellas de neutrones son objetos extremadamente densos: una cucharadita pesaría aproximadamente 1.000 millones de toneladas, el equivalente a una montaña. Su gravedad atrae hacia ellos el material circundante de las estrellas compañeras y, a medida que se tira de este material, se calienta y se ilumina con rayos X.
A medida que las estrellas de neutrones se "alimentan", llega un momento en que la luz de rayos X resultante elimina la materia. Los astrónomos llaman a este punto, cuando los objetos no pueden acumular materia más rápido y emiten más rayos X, el límite de Eddington. "De la misma manera que solo podemos comer tantos alimentos a la vez, hay límites en la rapidez con que las estrellas de neutrones pueden acumular materia", dice Murray Brightman, un investigador postdoctoral en Caltech y autor principal de un nuevo informe sobre los hallazgos en 'Nature Astronomy'.
"Pero los ULX están de alguna manera rompiendo este límite para emitir rayos X increíblemente brillantes, y no sabemos por qué", añade. En el nuevo estudio, los investigadores observaron un ULX en la galaxia Whirlpool, también conocida como M51, que se encuentra a unos 28 millones de años luz de distancia. Analizaron los datos de rayos X de los archivos tomados por Chandra y descubrieron un descenso inusual en el espectro de luz del ULX.
Después de descartar todas las demás posibilidades, descubrieron que la caída era de un fenómeno llamado dispersión de resonancia ciclotrón, que ocurre cuando las partículas cargadas, ya sean protones cargados positivamente o electrones cargados negativamente, circulan alrededor en un campo magnético. Los agujeros negros no tienen campos magnéticos y las estrellas de neutrones lo hacen, por lo que el hallazgo reveló que este ULX particular en M51 tenía que ser una estrella de neutrones.
La dispersión de resonancia del ciclotrón crea firmas reveladoras en el espectro de luz de una estrella y la presencia de estos patrones, llamados líneas ciclotrón, puede proporcionar información sobre la fuerza del campo magnético de la estrella, pero solo si la causa de las líneas, ya sean protones o electrones, es conocido. Los investigadores no tienen un espectro suficientemente detallado del nuevo ULX para decirlo con certeza.
"Si la línea ciclotrón es de protones, entonces sabemos que estos campos magnéticos alrededor de la estrella de neutrones son extremadamente fuertes y de hecho pueden estar ayudando a romper el límite de Eddington", dice Brightman. Tales campos magnéticos fuertes podrían reducir la presión de los rayos X de un ULX, la presión que normalmente empuja a la materia, permitiendo que la estrella de neutrones consuma más materia de lo que es típico y brille con los rayos X extremadamente brillantes.
Si la línea del ciclotrón proviene de círculos de electrones, en cambio, la fuerza del campo magnético alrededor de la estrella de neutrones no sería excepcionalmente fuerte, y por lo tanto el campo probablemente no sea la razón por la cual estas estrellas rompen el límite de Eddington. Para abordar aún más el misterio, los investigadores planean adquirir más datos de rayos X en el ULX en M51 y buscar más líneas de ciclotrón en otros ULX.
"El descubrimiento de que estos objetos muy brillantes, que durante mucho tiempo se consideraron agujeros negros con masas hasta 1.000 veces mayores que el del Sol, están impulsados por estrellas de neutrones mucho menos masivas, fue una enorme sorpresa científica", dice la profesora de Física en Caltech, Fiona Harrison, investigadora principal de la misión NuSTAR. "Ahora podríamos estar obteniendo pistas físicas firmes sobre cómo estos pequeños objetos pueden ser tan poderosos", concluye.
